專利名稱：：嵌入式協(xié)同智能控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及智能控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體指一種具有雙向協(xié)同調(diào)節(jié)的嵌入式控制器，是基于神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的，具備雙向調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力，具有支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)的新型嵌入式智能控制器(EIC)。
背景技術(shù)：
：近幾十年來(lái)，人工智能引起眾多學(xué)者和工程技術(shù)研究人員的日益重視，并成為一門廣泛的交叉學(xué)科。從上世紀(jì)九十年代初期開始出現(xiàn)了許多運(yùn)用智能控制算法的控制技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、遺傳控制等，但由于這些算法大多比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)施的難度較大。因此，在目前許多工業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)控制過(guò)程中，各種控制器仍然采用傳統(tǒng)的PID控制算法為主，較少應(yīng)用智能控制技術(shù)。隨著人類社會(huì)的發(fā)展和特別是工業(yè)過(guò)程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)越來(lái)越多的更復(fù)雜的控制對(duì)象，并且對(duì)控制質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，使傳統(tǒng)的控制技術(shù)難以滿足工業(yè)過(guò)程控制發(fā)展的需求。鑒于目前的控制需求現(xiàn)狀，迫切要求基于最新的人工智能技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的控制技術(shù)研究發(fā)展新的智能控制算法，以便克服原先控制算法在實(shí)際應(yīng)用中存在算法復(fù)雜不易實(shí)施、控制效果不理想及難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容隨著生物控制理論的發(fā)展，智能控制理論和生物信息處理系統(tǒng)結(jié)合得越來(lái)越緊密。從上世紀(jì)末開始，逐漸發(fā)展形成的新的生物智能
技術(shù)領(lǐng)域：
，如人工免疫系統(tǒng)、人工內(nèi)分泌系統(tǒng)等的出現(xiàn)。誠(chéng)如，丁永生(《計(jì)算智能一理論、技術(shù)與應(yīng)用》[M].北京科學(xué)技術(shù)出版社，2004)指出生物信息處理系統(tǒng)包括神經(jīng)系統(tǒng)、遺傳系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)，其中神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)作為人體各種激素調(diào)控中心，對(duì)各種體內(nèi)激素的調(diào)控，具備較好的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)生物智能控制理論的研究，將會(huì)提供一些解決復(fù)雜問(wèn)題的方法，具有一定的實(shí)際意義。本發(fā)明的目的在于提供一種基于人體生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)機(jī)制，即雙向非線性調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力的，具有支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)等特點(diǎn)的新型嵌入式智能控制器(EIC)，它包括輸入接口電路、輸出接口電路、中央處理器、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通訊接口電路等部分。其特點(diǎn)是，控制算法模塊包括比較環(huán)節(jié)、增強(qiáng)控制單元、抑制控制單元和協(xié)同控制單元。其中，比較環(huán)節(jié)主要起產(chǎn)生控制偏差的作用；增強(qiáng)控制單元主要起快速消除控制偏差的作用；抑制控制單元?jiǎng)t起穩(wěn)定消除控制偏差的作用；在協(xié)同控制單元的協(xié)調(diào)下，增強(qiáng)控制單元和抑制控制單元協(xié)同工作，迅速、穩(wěn)定地消除控制偏差。關(guān)于本發(fā)明基于的"人體生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)原理"概述在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，神經(jīng)內(nèi)分泌生長(zhǎng)激素(GH)的分泌受下丘腦分泌的促生長(zhǎng)激素(G服H)和抑制生長(zhǎng)激素(SRIF)雙向調(diào)節(jié)，其中GHRH具有促進(jìn)GH分泌的作用，而SRIF則具有抑制作用。血液或體液中的GH濃度，通過(guò)各種傳導(dǎo)因子或感受器反饋給下丘腦的GHRH神經(jīng)元和SRIF神經(jīng)元區(qū)，調(diào)節(jié)相應(yīng)的G服H和SRIF激素分泌量。當(dāng)GHRH濃度處于優(yōu)勢(shì)時(shí)，GH分泌增多；反之則GH分泌減少。另外，GHRH和SRIF神經(jīng)調(diào)節(jié)單元之間也存在相互抑制影響。GHRH濃度升高時(shí)，其濃度通過(guò)感受因子反饋給SRIF的神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，引起SRIF分泌增加，進(jìn)一步抑制GHRH的分泌。同樣SRIF的濃度升高時(shí)，通過(guò)GHRH神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，使GHRH分泌濃度降低，引起SRIF的分泌減少。GHRH和SRIF兩種激素作用于垂體，再通過(guò)垂體的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)使得GH的分泌量得以精確穩(wěn)定地控制。一般認(rèn)為，G服H在調(diào)節(jié)腺垂體生長(zhǎng)素的分泌過(guò)程中起主要作用，而SRIF是在應(yīng)激刺激引起生長(zhǎng)素分泌過(guò)多時(shí)，才顯著地對(duì)生長(zhǎng)素分泌的抑制作用，其調(diào)節(jié)回路可以抽象歸納為如附圖1所示的體系結(jié)構(gòu)。關(guān)于本發(fā)明基于的"人體生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)原理"的協(xié)同控制器的工作原理本發(fā)明的一種協(xié)同控制器，在基于上述"促生長(zhǎng)激素(GHRH)"和"抑制生長(zhǎng)激素(SRIF)"而延生的"增強(qiáng)因子"和"抑制因子"概念的同時(shí)，設(shè)計(jì)了與"促生長(zhǎng)激素(GHRH)神經(jīng)調(diào)節(jié)單元"和"抑制生長(zhǎng)激素(SRIF)神經(jīng)調(diào)節(jié)單元"相應(yīng)的"增強(qiáng)控制單元"和"抑制控制單元"，對(duì)消除控制偏差分別起到增強(qiáng)和抑制作用。在消除控制偏差的過(guò)程中，增強(qiáng)控制單元屬于主控制單元，而抑制控制單元屬于輔助控制單元。在增強(qiáng)因子和抑制因子的協(xié)同作用下，當(dāng)控制偏差絕對(duì)值較大時(shí)，增強(qiáng)控制單元處于較強(qiáng)的控制作用，而抑制控制單元處于較弱的抑制作用狀態(tài)；隨著控制偏差的減小，抑制作用隨之加強(qiáng)而增強(qiáng)控制作用卻減弱，使總體控制作用減弱；當(dāng)偏差變化較小時(shí)，抑制控制單元的抑制作用最強(qiáng)，但總體仍然為增強(qiáng)控制單元發(fā)揮作用，從而穩(wěn)定而快速地消除控制偏差。這樣，使得協(xié)同控制器具有增強(qiáng)、抑制和調(diào)節(jié)更加迅速、穩(wěn)定等特點(diǎn)，從而能夠快速穩(wěn)定消除控制偏差。本發(fā)明協(xié)同控制器的控制方法。在構(gòu)成協(xié)同控制器的控制算法模塊，包括比較環(huán)節(jié)、增強(qiáng)控制單元、抑制控制單元和協(xié)同控制單元等四部分中，比較環(huán)節(jié)主要起產(chǎn)生控制偏差的作用；增強(qiáng)控制單元主要起快速消除控制偏差的作用；抑制控制單元?jiǎng)t起穩(wěn)定消除控制偏差的作用；在協(xié)同控制單元的協(xié)調(diào)下，增強(qiáng)控制單元和抑制控制單元協(xié)同工作(協(xié)同控制器的具體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖2所示)。以下就有關(guān)"比較環(huán)節(jié)"、"增強(qiáng)控制單元"、"抑制控制單元"和"協(xié)同控制單元"及算法作進(jìn)一步的闡述一、比較環(huán)節(jié)及其算法比較環(huán)節(jié)主要完成輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的比較，起產(chǎn)生控制偏差的作用。令K/)表示輸入信號(hào)，W,)表示反饋信號(hào)，e(/)表示控制偏差，則有e(O=KO-W)①二、增強(qiáng)控制單元及其算法對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)激素的GHRH神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，設(shè)計(jì)增強(qiáng)控制單元。該控制單元的作用主要是快速消除控制偏差。受啟發(fā)于GHRH神經(jīng)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)激素分泌調(diào)節(jié)規(guī)律，設(shè)計(jì)增強(qiáng)控制單元的控制算法。根據(jù)控制偏差e(0的大小和變化率^(f)等信息，實(shí)時(shí)調(diào)整增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)，使增強(qiáng)控制單元的控制輸出信號(hào)能夠快速消除控制偏差。當(dāng)控制偏差較大時(shí)，增強(qiáng)控制單元控制作用較強(qiáng)；當(dāng)控制偏差較小的時(shí)候，增強(qiáng)控制單元控制作用較弱。設(shè)增強(qiáng)控制單元的輸出為"+(0="-,柳②其中，"+(Z)為增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)；/+0為增強(qiáng)控制單元的輔助控制規(guī)律，可以選擇傳統(tǒng)PID規(guī)律或模糊控制規(guī)律作為其具體輔助控制規(guī)律；"為增強(qiáng)因子，且大于l。三、抑制控制單元及其算法對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)激素的SRIF神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，設(shè)計(jì)抑制控制單元。該控制單元的作用主要是配合增強(qiáng)控制單元，以穩(wěn)定消除控制偏差。受啟發(fā)于SRIF神經(jīng)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)機(jī)制，設(shè)計(jì)抑制控制單元的控制算法為快速穩(wěn)定消除控制偏差，設(shè)計(jì)抑制控制單元的控制作用與增強(qiáng)控制單元的控制作用相反。在偏差比較大的時(shí)候，抑制控制單元作用比較弱或不起作用；當(dāng)偏差比較小的時(shí)候，抑制作用比較強(qiáng)，使增強(qiáng)控制作用減弱，進(jìn)而穩(wěn)定消除控制偏差。設(shè)抑制控制單元的輸出為其中，"_(0為抑制控制單元的輸出信號(hào)；/丄)為抑制控制單元的輔助控制規(guī)律，可以選擇傳統(tǒng)PID規(guī)律或模糊控制規(guī)律作為其具體輔助.控制規(guī)律；/為抑制因子，且">0。四、協(xié)同控制單元及其算法為了提高雙向調(diào)節(jié)智能控制器的控制效果，設(shè)計(jì)協(xié)同控制算法至關(guān)重要。根據(jù)生長(zhǎng)激素分泌機(jī)理，當(dāng)GHRH濃度高于SRIF濃度時(shí)，GH分泌增多；當(dāng)GHRH濃度低于SRIF濃度時(shí)，則GH分泌減少；當(dāng)GHRH濃度和SRIF濃度相同時(shí)，GH分泌處于靜止?fàn)顟B(tài)，即保持原濃度不變。因此，協(xié)同控制單元的動(dòng)態(tài)輸出應(yīng)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中，Aw(0是協(xié)同控制單元的動(dòng)態(tài)輸出，/。0為協(xié)同控制單元的控制規(guī)律。協(xié)同控制規(guī)律應(yīng)滿足以下條件當(dāng)增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)大于抑制控制單元的輸出信號(hào)即("+(0-"_0))>0時(shí)，協(xié)同控制單元的動(dòng)態(tài)輸出大于零，也即協(xié)同控制單元的輸出信號(hào)是增加的；反之，如果(M+(0—"—(0)<0時(shí)，則其輸出信號(hào)是減小的；當(dāng)("+(0-"—(0)=0時(shí)，其輸出信號(hào)保持原信號(hào)不變。本發(fā)明選擇/丄)為線性函數(shù)，即/。0=義.(.)，A為正實(shí)數(shù)。因此，把②式和③式分別帶入④式有△"(0=/1.(".^))_./—W》)⑤從而有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中，"(o，一-l)分別表示當(dāng)前控制周期和前一控制周期協(xié)同控制單元的全量輸出信號(hào)。遵循增強(qiáng)生長(zhǎng)激素GHRH和抑制生長(zhǎng)激素SRIF的分泌機(jī)理，設(shè)計(jì)協(xié)同控制器的增強(qiáng)因子"和抑制因子P。根據(jù)生長(zhǎng)激素的上升分泌規(guī)律，設(shè)計(jì)a的調(diào)節(jié)規(guī)律:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>其中，—(/)i為控制偏差的絕對(duì)值，與激勵(lì)激素信號(hào)對(duì)應(yīng)；4,4，4，",均為大于零的實(shí)數(shù)，且4表示調(diào)節(jié)初始值。顯然，隨著ie(01的增大，"隨之增大；反之，"隨之減少。同樣，根據(jù)生長(zhǎng)激素的下降分泌規(guī)律，設(shè)計(jì)-的調(diào)節(jié)規(guī)律其中，A，A,A，均為大于零的實(shí)數(shù)，且^表示調(diào)節(jié)初始值；5為失效因子，當(dāng)l^)l^f(閾值《為正實(shí)數(shù))時(shí)5=0.0，否貝1」5=1.0。閾值f的取值根據(jù)實(shí)際情況確定。同樣，隨著le(^l的增大，-隨之減??；反之，"隨之增大。在增強(qiáng)因子和抑制因子的作用下，使增強(qiáng)控制單元和抑制控制單元對(duì)消除控制偏差分別起到增強(qiáng)和抑制作用。在消除控制偏差的過(guò)程中，增強(qiáng)控制單元屬于主控制單元，而抑制控制單元屬于輔助控制單元。在增強(qiáng)因子和抑制因子的協(xié)同作用下，當(dāng)控制偏差絕對(duì)值較大時(shí)，增強(qiáng)控制單元處于較強(qiáng)的控制作用，而抑制控制單元處于較弱的抑制作用狀態(tài)；隨著控制偏差的減小，抑制作用隨之加強(qiáng)而增強(qiáng)控制作用卻減弱，使總體控制作用減弱；當(dāng)偏差變化較小時(shí)，抑制控制單元的抑制作用最強(qiáng)，但總體仍然為增強(qiáng)控制單元發(fā)揮作用，從而穩(wěn)定而快速地消除控制偏差。這樣，使得協(xié)同控制器具有增強(qiáng)、抑制和調(diào)節(jié)更加迅速、穩(wěn)定等特點(diǎn)，從而能夠快速穩(wěn)定消除控制偏差。綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性、魯棒性和抗干擾性等均較好的特點(diǎn)。圖1為生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)原理圖；圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)原理框圖；圖3為本發(fā)明組成硬件系統(tǒng)框圖；圖4為本發(fā)明控制算法軟件流程框圖；圖5為本發(fā)明控制仿真效果圖。附圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明1:輸入信號(hào)；2:比較環(huán)節(jié)；3:增強(qiáng)控制單元；4:抑制控制單元；5:協(xié)同控制單元；6:控制算法模塊；7:協(xié)同控制單元輸出信號(hào)；8:執(zhí)行器；9:控制對(duì)象；10:工藝輸出信號(hào)；11:傳感器；12:增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)；13:抑制控制單元的輸出信號(hào)；14:控制偏差；15:反饋信號(hào)；16:輸入接口電路；17:程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；18:存儲(chǔ)接口電路；19:SDR雄存儲(chǔ)器；20:輸出接口電路；21:中央處理器；22:通訊接口電路。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述本發(fā)明一種嵌入式協(xié)同智能控制器，其特點(diǎn)是，構(gòu)成協(xié)同控制器控制算法模塊6，包括比較環(huán)節(jié)2、增強(qiáng)控制單元3、抑制控制單元4和協(xié)同控制單元5等四部分，其中，比較環(huán)節(jié)2主要起產(chǎn)生控制偏差的作用；增強(qiáng)控制單元3主要起快速消除控制偏差的作用；抑制控制單元4則起穩(wěn)定消除控制偏差的作用；在協(xié)同控制單元5的協(xié)調(diào)下，增強(qiáng)控制單元3和抑制控制單元4協(xié)同工作。所述的比較環(huán)節(jié)2及其算法比較環(huán)節(jié)主要完成輸入信號(hào)1和反饋信號(hào)15的比較，產(chǎn)生控制偏差14。令KO表示輸入信號(hào)，6(0表示反饋信號(hào)，e(O表示控制偏差信號(hào)，則有W①所述的增強(qiáng)控制單元3及其算法對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)激素的GHRH神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，設(shè)計(jì)增強(qiáng)控制單元，該控制單元的作用主要是快速消除控制偏差；受啟發(fā)于G服H神經(jīng)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)激素分泌調(diào)節(jié)規(guī)律，設(shè)計(jì)增強(qiáng)控制單元的控制算法根據(jù)控制偏差e(0的大小和變化率《0信息，實(shí)時(shí)調(diào)整增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)，使增強(qiáng)控制單元的控制輸出信號(hào)能夠快速消除控制偏差；當(dāng)控制偏差較大時(shí)，增強(qiáng)控制單元控制作用較強(qiáng)；當(dāng)控制偏差較小的時(shí)候，增強(qiáng)控制單元控制作用較弱；設(shè)增強(qiáng)控制單元的輸出為"+(0="./+0(/)，柳②其中，"+^為增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)12;/+(.)為增強(qiáng)控制單元的輔助控制規(guī)律，可以選擇傳統(tǒng)p工d規(guī)律或模糊控制規(guī)律作為其具體輔助控制規(guī)律；a為增強(qiáng)因子，且大于l;所述的抑制控制單元4及其算法對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)激素的SRIF神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，設(shè)計(jì)抑制控制單元，該控制單元的作用主要是配合增強(qiáng)控制單元，以穩(wěn)定消除控制偏差；受啟發(fā)于SRIF神經(jīng)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)機(jī)制，設(shè)計(jì)抑制控制單元的控制算法為快速穩(wěn)定消除控制偏差，設(shè)計(jì)抑制控制單元的控制作用與增強(qiáng)控制單元的控制作用相反；當(dāng)偏差比較大的時(shí)候，抑制控制單元作用比較弱或不起作用；當(dāng)偏差比較小的時(shí)候，抑制作用比較強(qiáng)，使增強(qiáng)控制作用減弱，進(jìn)而穩(wěn)定消除控制偏差；設(shè)抑制控制單元的輸出為"_(,)=,，柳③其中，"_(0為抑制控制單元的輸出信號(hào)13;/丄)為抑制控制單元的輔助控制規(guī)律，可以選擇傳統(tǒng)PID規(guī)律或模糊控制規(guī)律作為其具體輔助控制規(guī)律；P為抑制因子，且/>0;所述的協(xié)同控制單元5及其算法為了提高雙向調(diào)節(jié)智能控制器的控制效果，設(shè)計(jì)協(xié)同控制算法至關(guān)重要，根據(jù)生長(zhǎng)激素分泌機(jī)理當(dāng)G服H濃度高于SRIF濃度時(shí)，GH分泌增多；當(dāng)G服H濃度低于SRIF濃度時(shí)，則GH分泌減少；當(dāng)GHRH濃度和SRIF濃度相同時(shí)，GH分泌處于靜止?fàn)顟B(tài)，即保持原濃度不變；據(jù)此，協(xié)同控制單元的動(dòng)態(tài)輸出應(yīng)為=("+(/)④其中，A"(f)是協(xié)同控制單元的輸出信號(hào)7的動(dòng)態(tài)增量；/。0為協(xié)同控制單元的控制規(guī)律；協(xié)同控制規(guī)律應(yīng)滿足以下條件當(dāng)增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)大于抑制控制單元的輸出信號(hào)即-"—(/))>0時(shí)，協(xié)同控制單元的動(dòng)態(tài)輸出大于零，也即協(xié)同控制單元的輸出信號(hào)是增加的；反之，如果("+(/)-"_(0)<0時(shí)，則其輸出信號(hào)是減小的；當(dāng)("+(0-=0時(shí)，其輸出信號(hào)保持原信號(hào)不變；其中，選擇/丄)為線性函數(shù)，即/丄)=義.0，義為正實(shí)數(shù)；據(jù)此，將②式和③式分別代入④式則有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>從而有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>其中，Z^),"(卜l)分別表示當(dāng)前控制周期和前一控制周期協(xié)同控制單元的全量輸出信號(hào)。遵循增強(qiáng)生長(zhǎng)激素GHRH和抑制生長(zhǎng)激素SRIF的分泌機(jī)理，分別設(shè)計(jì)協(xié)同控制器的增強(qiáng)因子"和抑制因子"；根據(jù)生長(zhǎng)激素的上升分泌規(guī)律，設(shè)計(jì)a的調(diào)節(jié)規(guī)律:其中，le(^l為控制偏差的絕對(duì)值，與激勵(lì)激素信號(hào)對(duì)應(yīng);4,4,4，",均為大于零的實(shí)數(shù)，且^表示調(diào)節(jié)初始值；顯然，隨著KOl的增大，a隨之增大；反之，"隨之減少；同樣，根據(jù)生長(zhǎng)激素的下降分泌規(guī)律，設(shè)計(jì)/的調(diào)節(jié)規(guī)律其中，A,^,爲(wèi),均為大于零的實(shí)數(shù)，且^表示調(diào)節(jié)初始值；^為失效因子，當(dāng)|^)^5(閾值5為正實(shí)數(shù))時(shí)3=0.0，否貝1」5=1.0;閾值S的取值根據(jù)實(shí)際情況確定；同樣，隨著le(/)l的增大，/隨之減?。环粗?，"隨之增大。本發(fā)明一種嵌入式協(xié)同智能控制器(如附圖3所示)，由輸入接口電路16、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器17、存儲(chǔ)接口電路18、SDRAM存儲(chǔ)器19、輸出接口電路20、中央處理器21和通訊接口電路22以電信號(hào)連接方式組成，其特點(diǎn)是，協(xié)同控制器的控制算法模塊6，包括用于產(chǎn)生控制偏差的比較環(huán)節(jié)2、快速消除控制偏差的增強(qiáng)控制單元3和用于穩(wěn)定消除控制偏差的抑制控制單元4及用于雙向協(xié)調(diào)控制效果的協(xié)同控制單元5。其中，硬件部分主要包括主機(jī)和外圍接口兩大部分1)主機(jī)程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器17采用FLASH閃存作為程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)協(xié)同控制器的控制算法軟件、操作系統(tǒng)、通訊軟件、WEB遠(yuǎn)程訪問(wèn)軟件及輸入/輸出接口軟件等；存儲(chǔ)接口電路18用作提供中央處理器與程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和SDRAM存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口電路；SDRAM存儲(chǔ)器19作為計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器，提供系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)所；中央處理器21作為控制核心，負(fù)責(zé)控制器各組成部分協(xié)調(diào)工作，可采用32位，主頻70MHZ左右，如ARM7系列等芯片；采用外界提供電源方式；2)外圍接口輸入接口電路16主要提供4-20mA電流輸入和1-5VDC電壓輸入接口，以及與中央處理器21電信號(hào)相連的接口電路；輸出接口電路20主要提供4-20mA電流輸出和1-5VDC電壓輸出接口，以及與中央處理器21電信號(hào)相連的接口電路；通訊接口電路22主要提供標(biāo)準(zhǔn)的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485接口，以及與中央處理器21電信號(hào)相聯(lián)的接口電路；所述的嵌入式協(xié)同智能控制器，軟件部分主要包括控制算法模塊軟件、操作系統(tǒng)、通訊軟件、WEB遠(yuǎn)程訪問(wèn)軟件及輸入/輸出接口軟件等；其中，1)控制算法模塊軟件按照本發(fā)明協(xié)同控制器的算法原理，采用嵌入式〔++語(yǔ)言開發(fā)控制算法模塊軟件；附圖4為本發(fā)明控制算法模塊6軟件流程框圖。每一個(gè)控制周期流程包括信號(hào)采樣處理101、控制偏差計(jì)算102、初始控制作用計(jì)算103、增強(qiáng)因子^i十算104、抑制因子^i十算105、協(xié)同控制輸出計(jì)算106和協(xié)同控制輸出107等步驟。2)操作系統(tǒng)采用流行的具有與Windows應(yīng)用程序兼容的嵌入式操作系統(tǒng)，如WinCE等；3)通訊軟件采用提供TCP/IP協(xié)議、RS232或485協(xié)議的支持軟件等；4)WEB遠(yuǎn)程訪問(wèn)軟件用于完成遠(yuǎn)程訪問(wèn)、通訊、操作功能等；5)輸入/輸出接口軟件用于完成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出。本發(fā)明按照附圖2所示，組成一個(gè)實(shí)施例的控制器反饋控制系統(tǒng)。附圖2中輸入信號(hào)1即設(shè)定值信號(hào)，協(xié)同控制單元輸出信號(hào)7輸出至執(zhí)行器8，執(zhí)行器8與控制對(duì)象9相連，工藝輸出信號(hào)10經(jīng)傳感器11轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)15，輸入信號(hào)1和反饋信號(hào)15—起進(jìn)入比較環(huán)節(jié)2，并產(chǎn)生控制偏差14。本發(fā)明協(xié)同控制器的控制性能，經(jīng)選取二階溫度純滯后對(duì)象模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)PID的控制效果進(jìn)行比較。在仿真過(guò)程中，增強(qiáng)控制單元的厶(o輔助控制規(guī)律和抑制控制單元的/丄)輔助控制規(guī)律選取傳統(tǒng)PID控制規(guī)律，且控制參數(shù)(均為控制增益)設(shè)置相同，取",="2=1;控制誤差均進(jìn)行了標(biāo)量化處理，其中閾值f-O.l。為了便于控制效果比較，與傳統(tǒng)PID控制算法比較控制效果時(shí)，設(shè)置傳統(tǒng)PID控制參數(shù)與本發(fā)明協(xié)同控制器的增強(qiáng)控制單元的控制參數(shù)相同某生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為(3s+1)("+1)本發(fā)明控制器的控制參數(shù)設(shè)置如表1所示。為了檢驗(yàn)本發(fā)明協(xié)同控制器的控制性能，在200秒和400秒時(shí)，分別改變工藝給定值。另外，為了驗(yàn)證本發(fā)明協(xié)同控制器的適應(yīng)能力，在600秒時(shí)突然改變系統(tǒng)參數(shù)為247(3s+l)(5s+l)800秒時(shí)恢復(fù)其原參數(shù)值。最后，為了檢驗(yàn)本發(fā)明協(xié)同控制器抗干擾能力，在1000秒至1200秒期間，加入均值為0范圍為[-0.1，0.l]的隨機(jī)白噪聲。其對(duì)比控制效果如附圖5所示。由附圖5可以看出，相對(duì)傳統(tǒng)PID控制器，本發(fā)明協(xié)同控制器能夠以較小超調(diào)量、更迅速達(dá)到給定值；改變系統(tǒng)參數(shù)后，本發(fā)明協(xié)同控制器具有較好的魯棒性；當(dāng)加入隨機(jī)噪聲后，表明本發(fā)明協(xié)同控制器具有更強(qiáng)的抗干擾能力，其控制輸出更加穩(wěn)定。總之，相對(duì)傳統(tǒng)PID控制器，本發(fā)明控制器具有較好的穩(wěn)定性、魯棒性和抗干擾能力。表1設(shè)置控制參數(shù)表<table>complextableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>權(quán)利要求1.一種嵌入式協(xié)同智能控制器，其特征是，構(gòu)成協(xié)同控制器的控制算法模塊(6)包括比較環(huán)節(jié)(2)、增強(qiáng)控制單元(3)、抑制控制單元(4)和協(xié)同控制單元(5)四部分，其中，比較環(huán)節(jié)(2)主要起產(chǎn)生控制偏差的作用，增強(qiáng)控制單元(3)主要起快速消除控制偏差的作用，抑制控制單元(4)則起穩(wěn)定消除控制偏差的作用，在協(xié)同控制單元(5)的協(xié)調(diào)下，增強(qiáng)控制單元(3)和抑制控制單元(4)協(xié)同工作；所述的比較環(huán)節(jié)(2)及其算法比較環(huán)節(jié)主要完成輸入信號(hào)(1)和反饋信號(hào)(15)的比較，產(chǎn)生控制偏差(14)，令r(t)表示輸入信號(hào)，b(t)表示反饋信號(hào)，e(t)表示控制偏差，則有:e(t)＝r(t)-b(t)①所述的增強(qiáng)控制單元(3)及其算法對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)激素的GHRH神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，其作用主要是快速消除控制偏差；受啟發(fā)于GHRH神經(jīng)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)激素分泌調(diào)節(jié)規(guī)律，設(shè)計(jì)增強(qiáng)控制單元的控制算法根據(jù)控制偏差e(t)的大小和變化率e(t)信息，實(shí)時(shí)調(diào)整增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)，使增強(qiáng)控制單元的控制輸出信號(hào)能夠快速消除控制偏差；當(dāng)控制偏差較大時(shí)，增強(qiáng)控制單元控制作用較強(qiáng)；當(dāng)控制偏差較小的時(shí)候，增強(qiáng)控制單元控制作用較弱；設(shè)增強(qiáng)控制單元的輸出為其中，u+(t)為增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)(12)；f+(·)為增強(qiáng)控制單元的輔助控制規(guī)律，可以選擇傳統(tǒng)PID規(guī)律或模糊控制規(guī)律作為其具體輔助控制規(guī)律；α為增強(qiáng)因子，且大于1；所述的抑制控制單元(4)及其算法對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)激素的SRIF神經(jīng)調(diào)節(jié)單元，其作用主要是配合增強(qiáng)控制單元，以穩(wěn)定消除控制偏差；受啟發(fā)于SRIF神經(jīng)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)機(jī)制，設(shè)計(jì)抑制控制單元的控制算法為快速穩(wěn)定消除控制偏差，設(shè)計(jì)抑制控制單元的控制作用與增強(qiáng)控制單元的控制作用相反；當(dāng)偏差比較大的時(shí)候，抑制控制單元作用比較弱或不起作用；當(dāng)偏差比較小的時(shí)候，抑制作用比較強(qiáng)，使增強(qiáng)控制作用減弱，進(jìn)而穩(wěn)定消除控制偏差；設(shè)抑制控制單元的輸出為其中，u_(t)為抑制控制單元的輸出信號(hào)(13)；f_(·)為抑制控制單元的輔助控制規(guī)律，可以選擇傳統(tǒng)PID規(guī)律或模糊控制規(guī)律作為其具體輔助控制規(guī)律；β為抑制因子，且β>0；所述的協(xié)同控制單元(5)及其算法為了提高雙向調(diào)節(jié)智能控制器的控制效果，設(shè)計(jì)協(xié)同控制算法至關(guān)重要，根據(jù)生長(zhǎng)激素分泌機(jī)理當(dāng)GHRH濃度高于SRIF濃度時(shí)，GH分泌增多；當(dāng)GHRH濃度低于SRIF濃度時(shí)，則GH分泌減少；當(dāng)GHRH濃度和SRIF濃度相同時(shí)，GH分泌處于靜止?fàn)顟B(tài)，即保持原濃度不變；據(jù)此，協(xié)同控制單元的動(dòng)態(tài)輸出應(yīng)為Δu(t)＝fo(u+(t)-u-(t))④其中，Δu(t)是協(xié)同控制單元的輸出信號(hào)(7)的動(dòng)態(tài)增量；fo(·)為協(xié)同控制單元的控制規(guī)律；協(xié)同控制規(guī)律應(yīng)滿足以下條件當(dāng)增強(qiáng)控制單元的輸出信號(hào)大于抑制控制單元的輸出信號(hào)即(u+(t)-u-(t))>0時(shí)，協(xié)同控制單元的動(dòng)態(tài)輸出大于零，也即協(xié)同控制單元的輸出信號(hào)是增加的；反之，如果(u+(t)-u-(t))<0時(shí)，則其輸出信號(hào)是減小的；當(dāng)(u+(t)-u-(t))＝0時(shí)，其輸出信號(hào)保持原信號(hào)不變；其中，選擇fo(·)為線性函數(shù)，即fo(·)＝λ·(·)，λ為正實(shí)數(shù)；據(jù)此，將②式和③式分別代入④式，則有從而有u(t)＝u(t-1)+Δu(t)⑥其中，u(t)，u(t-1)分別表示當(dāng)前控制周期和前一控制周期協(xié)同控制單元的全量輸出信號(hào)；遵循增強(qiáng)生長(zhǎng)激素GHRH和抑制生長(zhǎng)激素SRIF的分泌機(jī)理，分別設(shè)計(jì)協(xié)同控制器的增強(qiáng)因子α和抑制因子β，根據(jù)生長(zhǎng)激素的上升分泌規(guī)律，設(shè)計(jì)α的調(diào)節(jié)規(guī)律其中，|e(t)|為控制偏差的絕對(duì)值，與激勵(lì)激素信號(hào)對(duì)應(yīng)；A1，A2，A3，n1均為大于零的實(shí)數(shù)，且A3表示調(diào)節(jié)初始值；顯然，隨著|e(t)|的增大，α隨之增大；反之，α隨之減少；同樣，根據(jù)生長(zhǎng)激素的下降分泌規(guī)律，設(shè)計(jì)β的調(diào)節(jié)規(guī)律其中，B1，B2，B3，n2均為大于零的實(shí)數(shù)，且B3表示調(diào)節(jié)初始值；δ為失效因子，當(dāng)|e(t)|≥ε(閾值ε為正實(shí)數(shù))時(shí)δ＝0.0，否則δ＝1.0；閾值ε的取值根據(jù)實(shí)際情況確定；同樣，隨著|e(t)|的增大，β隨之減?。环粗?，α隨之增大。2.如權(quán)利要求1所述的嵌入式協(xié)同智能控制器，其特征是，控制算法模塊(6)軟件的每一個(gè)控制周期流程包括信號(hào)采樣處理(101)、控制偏差計(jì)算(102)、初始控制作用計(jì)算(103)、增強(qiáng)因子計(jì)算(104)、抑制因子-計(jì)算(105)、協(xié)同控制輸出計(jì)算(106)和協(xié)同控制輸出(107)步驟。3.如權(quán)利要求1所述的嵌入式協(xié)同智能控制器，由輸入接口電路(16)、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(17)、存儲(chǔ)接口電路(18)、SDRAM存儲(chǔ)器(19)、輸出接口電路(20)、中央處理器(21)和通訊接口電路(22)以電信號(hào)連接方式組成，其特征是，控制算法模塊(6)包括用于產(chǎn)生控制偏差的比較環(huán)節(jié)(2)，快速消除控制偏差的增強(qiáng)控制單元(3)和用于穩(wěn)定消除控制偏差的抑制控制單元(4)及用于雙向協(xié)調(diào)控制效果的協(xié)同控制單元(5);其中，硬件部分主要包括主機(jī)和外圍接口兩大部分1)主機(jī)程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(17)采用FLASH閃存作為程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)協(xié)同控制器的控制算法軟件、操作系統(tǒng)、通訊軟件、WEB遠(yuǎn)程訪問(wèn)軟件及輸入/輸出接口軟件；存儲(chǔ)接口電路(18)用作提供中央處理器與程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和SDRAM存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口電路；SDRAM存儲(chǔ)器(19)作為計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器，提供系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)所；中央處理器(21)作為控制核心，負(fù)責(zé)控制器各組成部分協(xié)調(diào)工作，可采用32位，主頻70MHZ，ARM7系列芯片；采用外界提供電源方式；2)外圍接口輸入接口電路(16)主要提供4-20mA電流輸入和1-5VDC電壓輸入接口，以及與中央處理器(21)電信號(hào)相連的接口電路；輸出接口電路(20)主要提供4-20mA電流輸出和1-5VDC電壓輸出接口，以及與中央處理器(21)電信號(hào)相聯(lián)的接口電路；通訊接口電路(22)主要提供標(biāo)準(zhǔn)的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485接口，以及與中央處理器(21)電信號(hào)相連的接口電路。全文摘要本發(fā)明一種嵌入式協(xié)同智能控制器，涉及智能控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，是基于神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的生長(zhǎng)激素雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的，具備雙向調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力及支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)等特點(diǎn)。它包括輸入接口電路(16)、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(17)、存儲(chǔ)接口電路(18)、SDRAM存儲(chǔ)器(19)、輸出接口電路(20)、中央處理器(21)和通訊接口電路(22)以電信號(hào)連接方式組成，其特點(diǎn)是，控制算法模塊(6)包括用于產(chǎn)生偏差的比較環(huán)節(jié)(2)，用于快速消除控制偏差的增強(qiáng)控制單元(3)和用于穩(wěn)定消除控制偏差的抑制控制單元(4)及用于雙向協(xié)調(diào)控制效果的協(xié)同控制單元(5)。相對(duì)傳統(tǒng)PID控制器，本發(fā)明有更好的穩(wěn)定性和魯棒性及抗干擾能力。文檔編號(hào)G05B13/02GK101373373SQ20081015770公開日2009年2月25日申請(qǐng)日期2008年10月16日優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日發(fā)明者寶劉,王君紅申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)